激光-環型電磁超聲方法檢測表面裂紋

弋東馳，裴翠祥，陳振茂

(機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測與結構完整性評價工程技術中心，西安交通大學， 西安 710049)

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激光-環型電磁超聲方法檢測表面裂紋

弋東馳，裴翠祥，陳振茂

(機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測與結構完整性評價工程技術中心，西安交通大學， 西安 710049)

傳統激光-電磁超聲對表面裂紋檢測的靈敏度受表面裂紋方向的影響，為解決這一問題，提出了一種基于環形電磁超聲探頭的激光-電磁超聲無損檢測方法。 相比于傳統的激光-電磁超聲表面裂紋檢測方法，該方法不但具有更高的靈敏度，而且不受裂紋方向的影響。為了驗證該方法的有效性，設計了一種環形電磁超聲探頭，并對其線圈參數進行了優化，提高了檢出信號的信噪比；進而利用該環形探頭有效檢出了試件中的不同方向表面裂紋。

激光超聲；電磁超聲；無損檢測；表面裂紋

電磁超聲(EMAT)探頭可作為一種非接觸的超聲波探頭應用于超聲檢測中，它由提供磁場的永久磁體和檢出線圈組成，利用電磁感應原理將試件內的超聲波轉化為電信號進行檢測。傳統的EMAT探頭根據永久磁體和線圈的相對位置，分為便于檢測橫波的面內EMAT探頭和便于檢測縱波的面外EMAT探頭[1]。然而傳統EMAT在對試件表面裂紋的檢測時，檢出信號的信噪比與探頭和裂紋的相對位置有關，這會導致某些角度的表面裂紋檢出效果不佳。因此文中提出一種環形EMAT探頭(結構見圖1，2)，激光作用于環形探頭中心。基于此探頭提出了一種激光-環型電磁超聲表面裂紋檢測方法，相對于傳統EMAT探頭，不僅提高了信噪比，還解決了傳統EMAT探頭對表面裂紋方向性敏感的不足。

圖1 傳統與環形EMAT探頭結構示意

圖2 環形EMAT探頭外觀

1 三維激光超聲數值模擬

1.1 三維激光超聲數值方法

能量低于材料熔融閾值的激光照射在試件表面，會在照射區域附近產生一個瞬態、不均勻的溫度場，可用熱傳導方程描述：

(1)

式中：T為溫度分布場；κ為熱傳導系數；ρ為材料密度；c為熱容；q為激光熱源。

基于熱彈理論，線性應變張量可以看做是應力場(S)和熱場(T)分別產生應變的疊加，即：

(2)

熱場產生的應變為：

(3)

式中：α為材料熱膨脹系數。

則應力場產生的應變可以表述為：

(4)

將式(2)代入廣義胡克定律則可得熱彈本構方程：

(5)

在彈性材料中，彈性波的控制方程為：

(6)

式中：{f}為體力向量；γ為聲阻尼系數。

根據有限元加權殘數法，可將熱傳導方程(1)和彈性波控制方程(6)進行離散：

(7)

(8)

式中：[K]為熱傳導率矩陣；[C]為熱容矩陣；[T]為溫度向量；{Q}為熱源向量；[M]為質量矩陣；[D]為阻尼矩陣；[G]為剛度矩陣；{U}為位移向量；{F}為熱彈性力向量。

1.2 仿真模型

三維模型幾何尺寸為：長20 mm，寬20 mm，高3 mm，三維仿真模型如圖3所示。模型材料設置為鋁，材料參數見表1。由于激光對模型中遠離作用點的區域的熱效應可以忽略不計，故計算模型中熱區域只考慮圖3中的黃色區域。根據不同的仿真需求，可設置不同尺寸和形式的缺陷。

表1 仿真模型材料參數

圖3 三維仿真模型示意

1.3 仿真結果

對無缺陷模型分別用環形和傳統兩種EMAT探頭進行檢測。其中環形探頭的線圈半徑設置為6 mm，傳統探頭和激光作用點的距離設置為6 mm。用三維模型程序進行仿真，比較傳統與環形EMAT探頭的檢測信號如圖4所示，檢測結果表明:環形EMAT探頭的檢出信號強度遠遠大于傳統EMAT探頭，環形探頭的信噪比也大大提高。

圖4 傳統、環形EMAT探頭仿真檢出信號對比結果

對圖5中的兩個模型，分別用環形探頭進行檢測，觀察模型內的超聲傳播過程。

圖5 三維仿真模型俯視圖

無缺陷模型在不同時刻的超聲速度場如圖6所示。由超聲速度場可以清晰地辨識出Lamb波(La波)和Rayleigh波(R波)的傳播過程。

圖6 無缺陷模型在不同時刻的超聲速度場

有缺陷模型在不同時刻的超聲速度場如圖7所示。由超聲速度場可以看到La波遇到缺陷后，從接觸點開始沿著缺陷表面傳播，最后在缺陷兩個端點散射；R波遇到缺陷的一部分被反射，在1.5 μs的超聲圖中可以明顯地看到其反射波。

圖7 有缺陷模型在不同時刻的超聲速度場

圖8 三維表面缺陷超聲掃描仿真模型

圖9 三維表面缺陷仿真模型的環形探頭掃描信號

對圖8中帶缺陷模型用環形EMAT探頭進行掃描，以激光作用點(即環形探頭中心)到缺陷的垂直距離為自變量，所得信號R波峰-峰值為因變量，得出掃描信號如圖9所示。由圖可以看到，隨著激光作用點逐漸靠近缺陷，越來越多的能量被其反射，接收信號幅值降低；當激光作用點進一步靠近缺陷時，缺陷反射的能量與直接傳播的能量幾乎同時到達探頭線圈，故信號幅值有所回升；當激光正好作用于缺陷上時，探頭接收到的信號幅值最低。這一表面缺陷掃描仿真結果符合預期。

2 檢測結果

2.1 激光電磁超聲檢測系統

為驗證三維表面缺陷模型中掃描信號仿真所得結果，搭建了激光電磁超聲檢測系統，如圖10所示。

圖10 激光電磁超聲檢測系統示意

圖11 檢測試件外觀

試件為100 mm×100 mm×5 mm的鋁板，表面缺陷尺寸為：長10 mm，寬0.5 mm，深3 mm。檢測試件外觀如圖11所示。

保證激光作用點在環形EMAT探頭的中心，適當地調節聚焦透鏡，即可在示波器上觀察到檢出信號，如圖12所示。可以看出環形EMAT探頭具有較高的信噪比。

圖12 環形探頭檢出信號

2.2 表面缺陷試件掃描結果

保持脈沖激光輸出能量不變，對圖11中做好標記的試件用環形EMAT探頭進行掃描,掃描結果如圖13所示。對比仿真模型的掃描結果圖9可以看出，試驗所得掃描信號的趨勢與仿真結果一致，利用環形探頭能有效地檢測出試件的表面缺陷。

3 結語

針對傳統EMAT探頭在檢測不同方向表面裂紋時的不足，提出了一種環形EMAT探頭，有效地提高了信噪比。還提出了一種激光-環型電磁超聲表面裂紋檢測方法，并對具有表面裂紋的試件進行了掃描。結果表明，基于環形EMAT探頭的新型表面裂紋檢測方法能夠有效地檢出不同方向的表面裂紋。

圖13 三維表面缺陷試件的環形探頭掃描信號

[1] PEI Cui-xiang, DEMACHI K, ZHU Hai-tao, et al. Inspection of cracks using laser-induced ultrasound with shadow method: modeling and validation[J]. Optics & Laser Technology, 2012, 44(4): 860-865.

The Method of Surface Cracks Testing with Laser/Ring-EMAT

YI Dong-chi, PEI Cui-xiang, CHEN Zhen-mao

(Shaanxi Engineering Research Center of NDT and Structural Integrity Evaluation, State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

With using pulsed laser to excite electromagnetic acoustic transducers (EMATs) and generate ultrasonic waves, laser-EMAT can provide a noncontact ultrasonic testing (UT) method. To overcome the drawback that sensitivity of traditional laser-EMAT UT method is dependent on the direction of defect to be measured, a modified laser-EMAT UT method with using a ring EMAT is proposed in this work. Compared to the traditional laser-EMAT method, the sensitivity of the laser-ring EMATUT is much higher, and independent to the crack orientation. To validate the feasibility of this method, a ring EMAT is firstly designed and optimized to improve the sensitivity for laser ultrasound detection. Then, the laser-ring EMAT system is applied to scan a specimen with a normal surface crack.

Laser ultrasound; EMAT; Nondestructive testing; Surface crack

2016-06-22

弋東馳(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向為激光超聲無損檢測。

弋東馳，E-mail:willandway@foxmail.com。

10.11973/wsjc201611016

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0070-04

導師簡介：裴翠祥，男，副教授。